IMO 1996 · Problem 4
The positive integers \(a\) and \(b\) are such that the numbers \(15a + 16b\) and \(16a - 15b\) are both squares of positive integers. What is the least possible value that can be taken on by the smaller of these two squares?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
Solution
Write \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] where \(x,y\) are positive integers. Then \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] so \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481}. \] We will show that both \(x\) and \(y\) are divisible by \(481=13\cdot37\).
Let \(p\) be either of the primes \(13\) and \(37\). We have \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] where the second congruence follows from \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\).
Suppose \(p\nmid y\). Since \(p\nmid31\), the first congruence also gives \(p\nmid x\). Raising it to the power \((p-1)/2\) and applying Fermat’s little theorem yields \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p. \] Here \((p-1)/4\) is odd for both primes: it equals \(3\) or \(9\). This is impossible. Thus \(p\mid y\), and the congruence \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) then gives \(p\mid x\).
Consequently, both \(13\) and \(37\) divide each of \(x,y\), so \(481\mid x\) and \(481\mid y\). Their positivity therefore implies \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2. \]
Finally, take \[ a=31\cdot481,\qquad b=481. \] These are positive integers, and \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2. \] Thus the lower bound is attained, proving the answer.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1996 · Aufgabe 4
Die positiven ganzen Zahlen \(a\) und \(b\) seien so gewählt, dass die Zahlen \(15a + 16b\) und \(16a - 15b\) beide Quadrate positiver ganzer Zahlen sind. Welches ist der kleinstmögliche Wert, den das kleinere dieser beiden Quadrate annehmen kann?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
Lösung
Wir schreiben \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] wobei \(x,y\) positive ganze Zahlen sind. Dann gilt \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] also \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481}. \] Wir zeigen, dass sowohl \(x\) als auch \(y\) durch \(481=13\cdot37\) teilbar sind.
Sei \(p\) eine der beiden Primzahlen \(13\) und \(37\). Es gilt \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] wobei die zweite Kongruenz aus \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\) folgt.
Angenommen, es gilt \(p\nmid y\). Wegen \(p\nmid31\) folgt aus der ersten Kongruenz auch \(p\nmid x\). Erheben wir sie zur Potenz \((p-1)/2\) und wenden den kleinen Satz von Fermat an, so erhalten wir \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p. \] Dabei ist \((p-1)/4\) für beide Primzahlen ungerade: Der Wert ist \(3\) bzw. \(9\). Dies ist unmöglich. Somit gilt \(p\mid y\), und die Kongruenz \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) liefert dann \(p\mid x\).
Folglich teilen sowohl \(13\) als auch \(37\) jede der Zahlen \(x,y\), also gilt \(481\mid x\) und \(481\mid y\). Da beide positiv sind, folgt \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2. \]
Schließlich wählen wir \[ a=31\cdot481,\qquad b=481. \] Dies sind positive ganze Zahlen, und es gilt \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2. \] Somit wird die untere Schranke erreicht, womit die Antwort bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1996 · Soru 4
\(a\) ve \(b\), \(15a + 16b\) ve \(16a - 15b\) sayılarının her ikisi de pozitif tam sayıların kareleri olacak şekilde pozitif tam sayılardır. Bu iki kareden küçük olanının alabileceği en küçük değer nedir?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
Çözüm
Şöyle yazalım: \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] burada \(x,y\) pozitif tam sayılardır. O hâlde \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] ve dolayısıyla \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481} \] olur. Hem \(x\) hem de \(y\) sayısının \(481=13\cdot37\) ile bölündüğünü göstereceğiz.
\(p\), \(13\) ve \(37\) asal sayılarından biri olsun. Şu denklikler geçerlidir: \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] burada ikinci denklik \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\) eşitliğinden çıkar.
\(p\nmid y\) olduğunu varsayalım. \(p\nmid31\) olduğundan birinci denklik \(p\nmid x\) olduğunu da verir. Bu denkliğin \((p-1)/2\). kuvvetini alıp Fermat'nın küçük teoremini uygulayarak \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p \] elde ederiz. Burada \((p-1)/4\), her iki asal sayı için de tektir: değeri \(3\) veya \(9\) olur. Bu olanaksızdır. Dolayısıyla \(p\mid y\) olur ve ardından \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) denkliği \(p\mid x\) sonucunu verir.
Sonuç olarak, hem \(13\) hem de \(37\), \(x,y\) sayılarının her birini böler; dolayısıyla \(481\mid x\) ve \(481\mid y\) olur. Bu sayıların pozitif olması nedeniyle \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2 \] elde edilir.
Son olarak, \[ a=31\cdot481,\qquad b=481 \] alalım. Bunlar pozitif tam sayılardır ve \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2 \] olur. Böylece alt sınıra ulaşılır ve cevap kanıtlanmış olur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1996 · Problema 4
Los enteros positivos \(a\) y \(b\) son tales que los números \(15a + 16b\) y \(16a - 15b\) son ambos cuadrados de enteros positivos. ¿Cuál es el menor valor posible que puede tomar el menor de estos dos cuadrados?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
Solución
Escribimos \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] donde \(x,y\) son enteros positivos. Entonces \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] por lo que \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481}. \] Demostraremos que tanto \(x\) como \(y\) son divisibles por \(481=13\cdot37\).
Sea \(p\) cualquiera de los primos \(13\) y \(37\). Tenemos \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] donde la segunda congruencia se deduce de \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\).
Supongamos que \(p\nmid y\). Como \(p\nmid31\), la primera congruencia también da \(p\nmid x\). Elevándola a la potencia \((p-1)/2\) y aplicando el pequeño teorema de Fermat, obtenemos \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p. \] Aquí \((p-1)/4\) es impar para ambos primos: vale \(3\) o \(9\). Esto es imposible. Por tanto, \(p\mid y\), y la congruencia \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) da entonces \(p\mid x\).
Por consiguiente, tanto \(13\) como \(37\) dividen a cada uno de los números \(x,y\), de modo que \(481\mid x\) y \(481\mid y\). Como son positivos, se deduce que \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2. \]
Finalmente, tomemos \[ a=31\cdot481,\qquad b=481. \] Estos son enteros positivos, y \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2. \] Así pues, la cota inferior se alcanza, lo que demuestra la respuesta.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1996 · 问题 4
正整数 \(a\) 和 \(b\) 满足:\(15a + 16b\) 和 \(16a - 15b\) 都是正整数的平方。这两个平方数中较小的一个所能取到的最小值是多少?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
解答
设 \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] 其中 \(x,y\) 为正整数。于是 \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] 故 \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481}. \] 我们将证明,\(x\) 和 \(y\) 都能被 \(481=13\cdot37\) 整除。
设 \(p\) 为素数 \(13\) 和 \(37\) 中的任意一个。有 \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] 其中第二个同余式由 \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\) 得到。
假设 \(p\nmid y\)。由于 \(p\nmid31\),第一个同余式还给出 \(p\nmid x\)。将其两边取 \((p-1)/2\) 次幂,并应用费马小定理,得到 \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p. \] 这里,对于这两个素数,\((p-1)/4\) 都是奇数:它等于 \(3\) 或 \(9\)。这是不可能的。因此 \(p\mid y\),再由同余式 \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) 得到 \(p\mid x\)。
因此,\(13\) 和 \(37\) 都整除 \(x,y\) 中的每一个,故 \(481\mid x\) 且 \(481\mid y\)。由于它们都是正数,可得 \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2. \]
最后,取 \[ a=31\cdot481,\qquad b=481. \] 它们都是正整数,且 \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2. \] 因此,该下界可以达到,答案得证。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1996 · Задача 4
Положительные целые числа \(a\) и \(b\) таковы, что числа \(15a + 16b\) и \(16a - 15b\) являются квадратами положительных целых чисел. Каково наименьшее возможное значение меньшего из этих двух квадратов?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
Решение
Запишем \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] где \(x,y\) — положительные целые числа. Тогда \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] поэтому \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481}. \] Покажем, что и \(x\), и \(y\) делятся на \(481=13\cdot37\).
Пусть \(p\) — одно из простых чисел \(13\) и \(37\). Имеем \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] где второе сравнение следует из равенства \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\).
Предположим, что \(p\nmid y\). Поскольку \(p\nmid31\), из первого сравнения также следует \(p\nmid x\). Возводя его в степень \((p-1)/2\) и применяя малую теорему Ферма, получаем \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p. \] Здесь \((p-1)/4\) нечётно для обоих простых чисел: оно равно \(3\) или \(9\). Это невозможно. Следовательно, \(p\mid y\), и тогда из сравнения \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) следует \(p\mid x\).
Итак, и \(13\), и \(37\) делят каждое из чисел \(x,y\), поэтому \(481\mid x\) и \(481\mid y\). Из их положительности следует \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2. \]
Наконец, возьмём \[ a=31\cdot481,\qquad b=481. \] Это положительные целые числа, и \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2. \] Таким образом, нижняя граница достигается, что доказывает ответ.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1996 · المسألة 4
العددان الصحيحان الموجبان \(a\) و\(b\) يحققان أن العددين \(15a + 16b\) و\(16a - 15b\) كلاهما مربع عدد صحيح موجب. ما أصغر قيمة ممكنة لأصغر هذين المربعين؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{231361=481^2}. \]
الحل
نكتب \[ x^2=15a+16b,\qquad y^2=16a-15b, \] حيث \(x,y\) عددان صحيحان موجبان. عندئذ \[ x^2-31y^2=481(b-a), \] ومن ثم \[ x^2\equiv31y^2\pmod{481}. \] سنبيّن أن كلًا من \(x\) و\(y\) يقبل القسمة على \(481=13\cdot37\).
ليكن \(p\) أحد العددين الأوليين \(13\) و\(37\). لدينا \[ x^2\equiv31y^2\pmod p, \qquad 31^2\equiv-1\pmod p, \] حيث ينتج التطابق الثاني من \(31^2+1=2\cdot13\cdot37\).
لنفترض أن \(p\nmid y\). بما أن \(p\nmid31\)، فإن التطابق الأول يعطي أيضًا \(p\nmid x\). وبرفع طرفيه إلى القوة \((p-1)/2\) وتطبيق مبرهنة فيرما الصغرى نحصل على \[ 1\equiv x^{p-1} \equiv31^{(p-1)/2}y^{p-1} \equiv(-1)^{(p-1)/4} =-1\pmod p. \] وهنا \((p-1)/4\) فردي لكلا العددين الأوليين: فهو يساوي \(3\) أو \(9\). وهذا مستحيل. إذًا \(p\mid y\)، وعندئذ يعطي التطابق \(x^2\equiv31y^2\pmod p\) أن \(p\mid x\).
وبالتالي فإن كلًا من \(13\) و\(37\) يقسم كلًا من \(x,y\)، لذا \(481\mid x\) و\(481\mid y\). وبما أنهما موجبان، فإن \[ \min(x^2,y^2)\ge481^2. \]
وأخيرًا، نأخذ \[ a=31\cdot481,\qquad b=481. \] وهذان عددان صحيحان موجبان، ولدينا \[ 15a+16b=(15\cdot31+16)\cdot481=481^2, \] \[ 16a-15b=(16\cdot31-15)\cdot481=481^2. \] إذًا يُبلغ الحد الأدنى، مما يثبت الإجابة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).